2020 纳米材料与光电器件(汤曼)(武汉纺织大学) 最新满分章节测试答案

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本课程起止时间为:2020-02-25到2020-06-30
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【作业】第一讲 纳米技术简介 作业1

1、 问题:试论述导体，半导体，绝缘体导电性的差别产生的原因
评分规则: 【 导体，半导体，绝缘体的导电性的差别是因为它们能带结构不同
绝缘体没有能带重叠，禁带较宽
半导体禁带很窄
导体存在能带重叠
】

【作业】第三讲 纳米电子材料的基本特性 作业2-纳米材料的基本特性

1、 问题:试详细论述纳米材料的主要四大效应及定义，并对每一效应举例说明。
评分规则: 【 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加， 从而引起纳米粒子物理、 化学性质的变化。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化即为小尺寸效应
当粒子尺寸下降到或小于某一值，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽现象称为量子尺寸效应
微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应
有分别举例
】

2、 问题:试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因
评分规则: 【 表面效应和量子尺寸效应导致蓝移
量子尺寸效应：由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度 (能隙)随颗粒直径减小而增大，这是产生蓝移的根本原因。
表面效应：由于纳米微粒尺寸小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小，导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数。（化学键的振动）
粒径减小的同时，颗粒内部的内应力会增加，而导致能带结构的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙和能级间距变窄，从而引起红移
】

3、 问题:论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径
评分规则: 【 当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子—空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。
减小半导体光催化剂的颗粒尺寸，可以提高其催化效率。
通过对纳米半导体材料进行敏化，搀杂，表面修饰以及表面沉淀金属或金属氧化物等方法，显著改善光吸收及光催化性能
】

【作业】第四讲 纳米材料的表征 作业3-填空题

1、 问题:扫描电子显微镜在扫描样品时，通过电子束与样品相互作用激发出各种物理信号，主要是通过发射出的__信号来观察样品的表面形态
评分规则: 【 二次电子
】

2、 问题:STM 成像的两种模式
评分规则: 【 恒电流模式
恒高度模式
】

3、 问题:携带样品吸收与衍射信息，反映内部微观结构的形貌特征的是__电子
评分规则: 【 透射
】

4、 问题:电子显微镜的光源是
评分规则: 【 电子束
】

5、 问题:光学显微镜的分辨极限是
评分规则: 【 0.02 微米或20 nm
】

【作业】第四讲 纳米材料的表征 作业3-SEM图像分析

1、 问题:请以下为扫描电镜的背散射电子探头采集的图像，请说明(a)(b)两图哪一个是成分像，哪一个是形貌像，并说明理由。
评分规则: 【 背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位而形成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。
原子序数衬度图像可以显示显著的明暗区域，样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
(a)成分像,(b)形貌像
】

【作业】第四讲 纳米材料的表征 作业3-纳米材料表征

1、 问题:用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？
评分规则: 【 要求：TEM：超薄切片SEM：要求样品表面导电，如不导电则需镀白金、黄金或碳AFM：样品要求表面较平整，过于凹凸针尖易断。
提供的信息：TEM：晶粒大小与分布，包括晶界，甚至能看到晶格条纹SEM：颗粒的大小与分布AFM：主要观察薄膜表面粗糙度
】

【作业】第五讲 微纳材料加工工艺 微纳材料加工工艺作业

1、 问题:什么是共沉淀和均匀沉淀法？各具有哪些特点？
评分规则: 【 共沉淀是使溶液由某些特定的离子沉淀时，共存于溶液中的其他离子也和特定阳离子一起沉淀。
均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。
共沉淀法的优点：1通过溶液中的各种化学反应直接得到化学成分均一的纳米粉体材料，2是容易制备粒度小而且分布均匀的纳米粉体材料。
均匀沉淀法具有原料成本低、工艺简单、操作简便、对设备要求低等优点
】

2、 问题:简述sol-gel法(溶胶-凝胶法)制备纳米薄膜的过程、转化途径及优缺点？
评分规则: 【 过程: 溶液-溶胶-凝胶-沉淀物-热处理
途径：有机途径和无机途径。1 有机途径是有机金属醇盐通过水解与缩聚反应而形成溶胶；并一进步缩聚而得到凝胶2 无机途径则是以无机盐作为原料，利用无机盐的水解得到溶胶，再进一步形成凝胶。
优缺点：a、工艺设备简单，不需要真空条件、高温或其他昂贵的设备，便于应用推广。b、很容易大面积地在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜，甚至可以在粉体材料表面制备一层包覆膜，这是其他的传统工艺难以做到的。c、化学均匀性好，容易制出均匀的多元氧化物薄膜，易于定量掺杂，可以有效地控制薄膜的成分及结构。d、用料省，成本较低。e、凝胶干燥过程收缩。
】

3、 问题:简述CVD方法的特点、原理及其一般流程
评分规则: 【 特点：①保形性: 沉积反应如在气固界面上发生，则沉积物将按照原有固态基底的形状包复一层薄膜。②可以得到单一的无机合成物质。③如果采用某种基底材料，在沉积物达到一定厚度以后又容易与基底分离，这样就可以得到各种特定形状的游离沉积物器具。④可以沉积生成晶体或细粉状物质，甚至是纳米尺度的微粒。
原理：在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。
一般流程：（1）反应物输运通过边界层；（2）表面反应形成固态沉积物；（3）去除气相反应副产物.需要进行详细描述
】

【作业】第六讲 纳米结构构筑 纳米结构构筑作业

1、 问题:简述纳米光刻技术的基本过程和原理，并分析提高传统光刻技术分辨率的主要途径。
评分规则: 【 纳米光刻的基本途径：底膜处理-涂胶-前烘-曝光-显影-坚膜-刻蚀-去胶简单叙述这些基本途径的目的
减小波长、增加数值孔径、减小 k1等方式都可以提高光刻曝光系统的分辨率，其中减小波长是主要手段。
根据瑞利定律进行解释
】

2、 问题:简述模板合成技术的基本原理和特点，试举例说明模板法合成纳米结构的基本过程
评分规则: 【 模板合成技术：使用有纳米尺度孔、洞的模板，通过物理或化学方法来构筑纳米结构的技术
特点：①多数模板不仅合成方便，而且其性质可在广泛范围内精确调控；②合成过程相对简单，很多方法适合批量生产；③可同时解决纳米材料的尺寸与形状控制及分散稳定性问题；④特别适合一维纳米结构（ 如纳米线和纳米管）的合成。因此模板合成是公认的合成纳米材料及纳米阵列的最理想方法之一。
以PPT中的ZnO纳米阵列为例
】